Mạng Anfis và ứng dụng cho dự báo thời tiết khu vực miền núi phía Bắc

i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN TUYẾT LAN

MẠNG ANFIS VÀ ỨNG DỤNG CHO DỰ BÁO THỜI TIẾT KHU VỰC

MIỀN NÚI PHÍA BẮC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

GVHD: TS. LÊ BÁ DŨNG

THÁI NGUYÊN 2015

ii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Tuyết Lan

Lớp: Cao học K12A

Khóa học: 2013 - 2015

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số chuyên ngành: 60 48 01

Cơ sở đào tạo: Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên

Giáo viên hƣớng dẫn: PGS.TS Lê Bá Dũng

Cơ quan công tác: Viện công nghệ thông tin – Viện Hàn lâm Khoa học và Công

nghệ Việt Nam.

Tôi xin cam đoan luận văn “Mạng ANFIS và ứng dụng cho dự báo thời tiết

khu vực miền núi phía Bắc” này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu

sử dụng trong luận văn là trung thực, các kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong

luận văn chƣa từng đƣợc công bố tại bất kỳ công trình nào khác.

Thái Nguyên, ngày 12 tháng 5 năm 2015

Học viên

Nguyễn Tuyết Lan

iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô giáo Viện công

nghệ thông tin - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các thầy cô giáo

Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã tận

tình giảng dạy cũng nhƣ tạo mọi điều kiện để tôi học tập và nghiên cứu trong 2 năm học

cao học.

Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Lê Bá Dũng đã cho

tôi nhiều sự chỉ bảo quý báu, đã tận tình hƣớng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn

thành tốt luận văn tốt nghiệp này.

Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi các thiếu sót, rất mong tiếp tục

nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy, các cô giáo, các bạn đồng nghiệp đối

với đề tài nghiên cứu của tôi để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn.

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 12 tháng 5 năm 2015

iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................ i

LỜI CẢM ƠN............................................................................................................iii

MỤC LỤC................................................................................................................. iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.............................................................................. vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..................................................................................vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................................................... ix

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1

CHƢƠNG I. MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO VÀ HỆ MỜ ....................................... 2

1.1. Cấu trúc và mô hình mạng nơron ................................................................... 2

1.1.1. Mô hình một nơron nhân tạo .................................................................... 2

1.1.2. Cấu trúc của mạng nơron nhân tạo........................................................... 5

1.2. Cấu tạo và phƣơng thức làm việc của nơron................................................... 5

1.3. Các luật học ..................................................................................................... 8

1.4. Thuật toán lan truyền ngƣợc.......................................................................... 12

1.5. Hệ mờ và mạng nơron ................................................................................... 13

1.5.1. Các khái niệm cơ bản của logic mờ ....................................................... 13

1.5.2 Suy luận mờ............................................................................................. 19

1.5.3. Cấu trúc của hệ thống suy luận mờ ........................................................ 22

1.6. Kết luận.......................................................................................................... 31

CHƢƠNG 2. MẠNG ANFIS VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ............................... 32

2.1. Hệ thống suy diễn mờ dựa trên mạng thích nghi .......................................... 32

2.1.1. Các mô hình kết hợp giữa hệ mờ và mạng neural.................................. 32

2.1.2. Luật mờ if-then và hệ suy diễn mờ......................................................... 32

2.1.3. Cấu trúc mạng ANFIS............................................................................ 33

2.2. Các thuật toán mạng ANFIS.......................................................................... 39

2.2.1. Thuật toán học lan truyền ngƣợc........................................................... 39

2.2.2. Thuật toán học lai ................................................................................... 45

2.3. Ứng dụng của mạng ANFIS.......................................................................... 47

v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

CHƢƠNG III. ỨNG DỤNG MẠNG ANFIS CHO BÀI TOÁN DỰ BÁO THỜI

TIẾT KHU VỰC MIỀN NÚI PHÍA BẮC............................................................... 47

3.1. Bài toán dự báo thời tiết ................................................................................ 47

3.1.1. Một số khái quát cơ bản về khí hậu, môi trƣờng tự nhiên ..................... 47

3.1.2. Sự cần thiết của việc dự báo thời tiết ..................................................... 48

3.2. Ứng dụng mạng ANFIS cho bài toán dự báo thời tiết khu vực miền núi phía

Bắc ........................................................................................................................ 50

3.2.1. Thu thập dữ liệu...................................................................................... 51

3.2.2. Huấn luyện mạng ANFIS cho dự báo thời tiết khu vực miền núi phía

Bắc .................................................................................................................... 53

3.3. Kết quả dự báo............................................................................................... 58

KẾT LUẬN .............................................................................................................. 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 63

vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Hai pha trong thủ tục học lai cho hệ ANFIS............................................ 46

Bảng 3.1: Số liệu thu thập tại trạm khí tƣợng thủy văn trong 2 năm gần đây ......... 52

Bảng 3.2. Kết quả số liệu khảo sát và giá trị dự báo ................................................ 59

vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Mô hình một nơron nhân tạo ...................................................................... 2

Hình 1.2. Đồ thị các dạng hàm truyền........................................................................ 4

Hình 1.3. Mạng truyền thẳng một lớp ........................................................................ 7

Hình 1.4. Mô tả cấu trúc của mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp. .......................... 8

Hình 1.5. Mạng hồi quy một lớp có nối ngƣợc .......................................................... 8

Hình 1.6. Mạng hồi quy nhiều lớp có nối ngƣợc....................................................... 8

Hình 1.7: Sơ đồ học tham số có giám sát. ................................................................ 10

Hình 1.8: Sơ đồ học tham số không có giám sát. ..................................................... 11

Hình 1.9: Sơ đồ học tăng cƣờng............................................................................... 11

Hình 1.10: Một số dạng hàm thuộc cơ bản .............................................................. 15

Hình 1.11: Hàm phụ thuộc của tập mờ A................................................................. 16

Hình 1.12: Các tập mờ điển hình dùng để định nghĩa biến ngôn ngữ tốc độ........... 17

Hình 1.13: Mô hình suy luận mờ với một luật-một tiền đề..................................... 20

Hình 1.14: Mô hình suy luận mờ một luật-nhiều tiền đề ......................................... 21

Hình 1.15: Mô hình suy luận mờ hai luật hai tiên đề ............................................... 22

Hình 1.16: Giải mờ bằng phƣơng pháp cực đại ....................................................... 23

Hình 1.17: Phƣơng pháp giải mờ điểm trọng tâm.................................................... 24

Hình 1.18. Hệ thống suy luận mờ............................................................................. 25

Hình 1.19. Mô hình suy diễn mờ Mamdani ............................................................. 27

Hình 1.20. Mô hình suy luận mờ Tsukamoto........................................................... 28

Hình 1.21: Hệ suy diễn mờ Takagi- Sugeno ............................................................ 29

Hình 1.22: Mô hình suy luận mờ Sugeno hai đầu vào một đầu ra ........................... 30

Hình 2.1. Lập luận mờ.............................................................................................. 33

Hình 2.2. Mạng thích nghi........................................................................................ 34

Hình 2.3. Kiến trúc mạng ANFIS............................................................................ 37

Hình 2.4: Mạng 3 lớp lan truyền ngƣợc ................................................................... 40

Hình 3.1. Dữ liệu vào ở bảng 3.1 biểu diễn dƣới dạng đồ thị .................................. 55

Hình 3.2: Sơ đồ khối của mạng ANFIS.................................................................... 55